Звукозапись: от водного органа до цифровых песен

Есть такая шутка: «Как часто вы слышите голоса мёртвых людей?» — «Каждый день». Шутка подразумевает то, что классики рока и джаза давно или недавно переселились на тот свет, и, прослушивая их песни, любитель обоих жанров слышит голоса мертвецов. Но почему он может это делать? А потому, что их голоса и музыкальные инструменты были записаны. 

Тем временем, роскошью слышать записанные голоса люди обладают всего лишь полвека с лишним (да, аудиосообщения — это роскошь, а не проклятие). Если передавать изображения с той или иной степенью сходства человечество умеет практически всё время своего существования — достаточно поверхности и инструмента — то передать звук гораздо сложнее. Об истории звукозаписи — от музыкальных шкатулок до цифровой и оптической звукозаписи — рассказываем в нашей статье. 

Неоконченная пьеса для механического пианино

Первыми устройствами для записи и воспроизведения звука стали механические музыкальные инструменты. Однако нужно понимать: они воспроизводили мелодии, но не могли записывать произвольные звуки — музыкальные инструменты, человеческий голос и разнообразные шумы. Механические изобретения только лишь  воспроизводили музыку, записанную на бумагу, дерево, металлические валики, перфорированные диски и другие приспособления. Порой они приводились в действие не только человеком, но, например, песком, водой, пружиной или электричеством.

Автоматическое воспроизведение музыки, как ни странно, началось ещё в далёком IX веке. Тогда братья Бану Муса, знаменитые персидские учёные Арабского халифата, придумали наиболее старый из известных механических инструментов. Это был гидравлический или «водный орган», который автоматически проигрывал сменные цилиндры. Собственно, такая конструкция, цилиндр с выступающими элементами на поверхности, оставался главным средством для воспроизведения музыки целую тысячу лет – то есть, до второй половины XIX века. Кстати, эти же братья придумали автоматическую флейту, которую можно считать первой программируемой машиной. 

Но, конечно, для нашей цивилизации главным механическим устройством для воспроизведения звука является музыкальная шкатулка. Видов у неё было множество: и шарманка, и музыкальные часы, и механические спинеты, и ящики. Они обладали ограниченным набором мелодий и могли играть только лишь сохранённую музыку. 

Механическое же пианино появилось во второй половине XIX века. Его показали на выставке в Филадельфии в 1886 году. В нём использовалась перфорированная лента из бумаги, и на него можно было записывать не маленькие незатейливые мелодии, а целые длинные пьесы. Такие пианолы выпускали до середины XX века, и сейчас они являются коллекционными. 

Палеофон и другие

Механические шкатулки только воспроизводили звук. При этом, этот звук не был записанным, а представлял собой набор заранее заданных тонов. Механическая запись звука появилась только в середине XIX века. Строго говоря, это была механоакустическая запись: записываемый звук действовал на рупор, как граммофон, через мембрану. Она была связана с резцом, который совершал звукозапись на том или ином носителе. Позже этот метод заместился электроакустическим способом, где вместо рупора использовали микрофон, который преобразовывал звуковые колебания в электрические токи. 

Механических звукозаписывающих устройств изобрели изрядно много, и речь здесь идёт не только об известном многим граммофоне. Например, самым первым звукозаписывающим устройством стал фоноавтограф, который в 1857 году изобрёл Эдуард-Леон Скотт де Мартенвиль — французский издатель и библиотекарь. 

В этом устройстве был акустический конус и вибрирующая мембрана. Последняя соединялась с иглой, которая в свою очередь соприкасалась с поверхностью стеклянного цилиндра, покрытого сажей. Этот самый цилиндр нужно было вращать вручную. Именно в слое сажи записывались звуковые колебания. Правда, это устройство не могло воспроизводить звук — только записывать. До нас дошли только три записи с фоноавтографа: народная французская песня «Лунный свет», отрывки из поэмы итальянского писателя Торквато Тассо «Аминта» и… звук летящей пчелы, который де Мартенвиль специально решил зафиксировать. 

Более подробно об инструментах механической записи звука читайте в статье «Грампластинки: от валика до винила» 

Спустя 20 лет после фоноавтографа появился палеофон — в дословном переводе это название означает «звук прошлого». Его придумал французский поэт-символист и изобретатель Шарль Кро. Схема была похожей: пластинка, рупор, горизонтально расположенная игла и мембрана. 

После этого на арену зарождающейся звукозаписи вышел уже знаменитый Томас Эдисон. Он изобрёл фонограф, и это устройство могло воспроизводить свою запись. Это произошло в 1877 году, а спустя 10 лет появился уже и граммофон, который быстро приобрёл изрядную популярность. А за ним увидел свет и патефон. 

Электромеханическая запись

Наступил XX век, и в его начале — точнее, в 1925 году — появилась следующая техника звукозаписи. Это была запись электромеханическая: вместо рупора того или иного вида стали использовать свежеизобретённый микрофон. 

За счёт уменьшения искажений частотный диапазон изрядно расширился: с 150–4000 до 50–10000 герц. Были и другие нововведения: например, вместо пружинного двигателя для вращения пластинки стал использоваться электрический двигатель, а вместо механического звукоснимателя — сначала пьезоэлектрический, а позднее более качественный, магнитный. Так появились грампластинки, уже известные многим. 

Вариантов приборов, записывающих звук таким способом, тоже было предостаточно. Например, электрофон, так или иначе известен многим — это, по сути, проигрыватель виниловых пластинок, которые до сих пор пользуются популярностью и являются предметом коллекционирования. Более того, многие музыкальные исполнители до сих пор выпускают альбомы на виниловых пластинках: правда, не для распространения своей музыки, а для больших фанатов их творчества. 

Но были и другие устройства для записи. Например, шоринофон, названный по имени его изобретателя из СССР, Александра Шорина. Его прибор для оперативной записи был очень похож на электрофон, однако в качестве носителя использовал не пластинку, а…. киноплёнку! Длительность записи, таким образом, ограничивала лишь длина плёнки, и на неё можно было вместить до двух часов фонограммы в несколько дорожек. Эти аппараты в Советском Союзе пользовались большой известностью, и до Великой Отечественной войны использовались в радиовещании для подготовки репортажей. 

История радио тесно связано с возможностью записывать звук. О том, как развивалась эта техника передачи информации, мы рассказываем в статье «Радио: изобретатели невидимого фронта» 

Стоит упомянуть и ещё один прибор, разработанный советскими инженерами. В начале 1930-х годов изобретатель Борис Скворцов придумал устройство, которое он назвал «говорящая бумага». Это был прибор, который использовал фотоэлектрический метод воспроизведения звукозаписи – причём с непрозрачного ленточного носителя в отражённом свете. Что это значит? Звуковая дорожка с непрозрачной киноленты — да, здесь снова использовалось кино — переносилась на фотобумагу. Однако судьбу уже готового к промышленному производству прибора подкосила начавшаяся война; а после неё Госплан решил переключиться на развитие магнитофонной техники — то есть записи магнитной. 

Математическая теория связи

Способы и устройства звукозаписи, изобретённые в XIX веке и в первой половине века XX, живы и поныне: многие любят ностальгически послушать и кассеты (перематываемые карандашом, конечно), и виниловые пластинки. Однако самой массовой техникой звукозаписи сейчас, конечно же, является звукозапись цифровая. Она и в плеерах, и в телефонах, и в компьютерах, и в ноутбуках, и в кинематографе… да где только нет сейчас «цифры». 

Саму цифровую запись придумывали достаточно целенаправленно и упорно: она не была случайным открытием. Ещё в 1937 году британский учёный Алек Харли Ривз первым описал так называемую импульсно-кодовую модуляцию, которая от того времени и до нашего и используется для оцифровки аналоговых сигналов. 

Спустя чуть больше, чем 10 лет — то есть в 1948 году, Клод Шеннон опубликовал свой труд «Математическая теория связи». Клод Шеннон — это американский инженер, криптоаналитик и математик. Если что, криптоаналитик – это учёный, а криптоанализ — это наука, которая занимается дешифровкой уже зашифрованной информации, при этом без предназначенного для этого ключа. А Клод Шеннон — это «отец информационного века», тот человек, который придумал и теорию информации, и прочие вещи, которые сейчас составляют основу информационных технологий. 

В общем, через год после «Математической теории связи» тот же Шеннон опубликовал новый труд — «Передачу данных при наличии шума». Там он доказал теорему, которую на пальцах можно пересказать так: любую функцию, состоящую из определённого набора частот, можно передавать с любой точностью при помощи чисел, следующих друг за другом с определённым интервалом. 

Эту теорему сейчас на Западе знают как теорему Найквиста-Шеннона (Гарри Найквист — это тоже один из пионеров теории информации, который подкрепил выводы Шеннона своими исследованиями). Однако независимо от них обоих ту же самую теорему вывел в Советском Союзе учёный Борис Котельников — радиофизик, и радиотехник, один из основоположников советской секретной радио- и телефонной связи. 

После появления этой теоремы и следующих работ Шеннона, Найквиста и многих других учёных началась цифровая эра. Цифровые технологии теперь повсюду — они позволяют нам заказать продукты, заплатить налоги, послать сообщение любимому человеку, работать удалённым образом… и, кроме прочего, они же позволяют сохранить историю всей своей семьи в полном объёме — в Цифровой капсуле времени!